JP4469681B2 - 工作機械の加工誤差の補正方法 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械の熱変形によってワークに生ずる加工誤差を補正する方法に関するもので、特に環境温度の変化による補正項の導入に特徴がある上記方法に関するものである。

工作機械でワークを加工するとき、高速回転する主軸の軸受部やワークの加工部で熱が発生する。主軸軸受部の発熱は、主軸や主軸台に伝達され、ワーク加工部の発熱は、切削油を介してベッドや刃物台に伝達される。また室温などの環境温度も機械温度に影響を与える。そのため、工作機械の運転に伴って機械温度が局部的に又全体的に上昇し、また室温などの環境温度によって機械温度が変化して、この温度変化による機械自体の熱変位がワークの加工誤差となって現れてくるようになる。

そこで、工作機械及びワークの熱変位による加工誤差を補正するために、ある時刻における室温及び機械各部の例えば主軸台や刃物台の温度とそのときワークに生じた加工誤差との関係を予め計測し、この計測値から室温及び機械温度による加工誤差の補正式を求めてＮＣ装置に登録しておき、実際にワークを加工するときに、ＮＣ装置から出力される指令値（例えば旋盤であれば刃物台のＺ方向とＸ方向の位置指令）をそのときの室温及び機械温度を前記補正式に代入して得られた演算結果により補正して刃物台の位置を設定することにより、加工精度を向上させることが行われている。

たとえば、旋盤における主要な発熱源は、主軸の軸受部とワーク加工位置である。またベッドは寸法が大きいので熱変形も大きく、室温の影響も大きく受ける。そこで従来の旋盤では、図１に示すように、室温センサｓ₀及び旋盤のベッド１、主軸台２、刃物台３などの要所に取付けた温度センサｓ₁、ｓ₂、ｓ₃・・・の検出値ｔ₀、ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃・・・に乗ずる係数α₀、α₁、α₂、α₃・・・と定数βとを試験加工により決定して、補正値δを次式
δ＝α₀ｔ₀＋α₁ｔ₁＋α₂ｔ₂＋α₃ｔ₃＋・・・α_nｔ_n＋β
で演算するというような方法が採用されている。なお、補正値δの演算式は、例えば旋盤の刃物台の制御であればｘ軸用の補正式とｚ軸用の補正式というように、必要な制御軸毎にそれぞれ求められる。なお、図１の符号１０は旋盤、１１は温度計測装置の通信ユニット、１２はＮＣ装置である。
特開２００３‐２８５２４４号公報

上記の補正式で使用する補正係数α₀、α₁、α₂・・・α_n及びβは、標準的な加工条件でワークを加工したときの実測値に基づいて決定されたものである。一方、工作機械が設置される環境や加工条件は色々であり、試験加工のときの条件と一致しないのが普通である。従って、上記補正式を用いて補正を行っても、誤差をゼロにすることはできず、誤差を低減させることができるに過ぎないから、より精度の高い補正が可能な方法が常に求められることになる。

この発明は、工作機械の熱変形によるワークの加工誤差をより高い精度で補正することが可能な技術手段を得ることを課題としている。

本願発明者らは、各種の旋盤について、上記補正式における係数α₀、α₁、α₂・・・α_n及びβを求めて、各旋盤のＮＣ装置に登録し、その補正式を用いて加工したワークに実際に生じた誤差のデータを分析したところ、図２に示すように、補正式で演算された補正値δと、実際に補正すべき誤差δ_tとの間に時間遅れｄが存在していることが認められた。

すなわち、横軸に一日の時間を取り、縦軸に補正値（又は補正すべき値）を取って、種々の時刻における加工において、演算された補正値δと、加工されたワークに残った誤差から求めた補正すべき値δ_tとの間に時間遅れｄが存在することが認められた。この時間遅れｄは、機械の構造の違いや大きさによって異なる値となるが、一日のどの時刻においてもほぼ一定であった。

この発明は、本願発明者らの試験データの分析による上記知見に基づいてなされたもので、従来の加工時における温度に基づく補正に上記時間遅れを付加することにより、より高精度の補正を可能にしたものである。

すなわち、本願の請求項１の発明に係る工作機械の加工誤差の補正方法は、工作機械に取付けた複数の温度センサｓ₁、ｓ₂・・・の検出温度ｔ₁、ｔ₂・・・を使用して演算した補正値δでＮＣ装置の指令値を補正する工作機械の加工誤差の補正方法において、環境温度ｔ ₀ と上記機械温度に基づく演算式で算出される補正値と実際に必要とする補正値との差を時間遅れｄとし、直近の複数日についての一日の環境温度変化の計測値を参照して、加工時の機械温度と前記時間遅れを加味した時刻における環境温度に基づいて補正値を演算するというものである。

本願の請求項１の発明に係る工作機械の加工誤差の補正方法では、環境温度ｔ₀に基づく補正量δ₀を演算するための係数α₀と、機械各部の温度ｔ₁、ｔ₂・・・ｔ_nに基づく補正量を演算するための係数α₁、α₂・・・α_nと、環境温度がワークの加工誤差として影響する際の時間遅れｄとを工作機械の制御器に予め登録すると共に、一日の環境温度ｔ₀の経時変化を上記制御器に更新しつつ登録して、加工時に計測された機械各部の温度ｔ₁、ｔ₂・・・ｔ_nと、前記環境温度の経時変化に基づいて得られる、加工時から前記時間遅れｄだけ隔たった時刻における環境温度ないし環境温度に基づく補正量とにより演算された補正値で、ＮＣ装置の指令値を補正する。

この発明によれば、一日の環境温度の変化が機械の熱変形に与える影響の時間遅れに起因して生ずる補正値の誤差をなくすことができ、また一日の温度変化のデータとして直近の複数日における温度変化の平均値を用いているため、季節による環境温度の変化についても補正が行われることとなり、従って、より高い精度で加工誤差の補正値を演算することが可能になる。

この発明の方法で得られた補正値を用いて、工作機械に与えられる指令値を補正することにより、より高精度の加工を行うことができるという効果がある。

以下、図面を参照して、この発明の補正方法の好ましい実施の態様の一例について説明する。まず、従来行われていたと同様な試験加工により、従来式
δ＝α₀ｔ₀＋α₁ｔ₁＋α₂ｔ₂・・・β
における補正係数α₀、α₁、α₂・・・α_n及びβを求める。更に種々の時刻において加工したワークの計測値から補正すべき値δ_tを計算し、その値と上記従来式で求めた補正値δとを一日の時刻を横軸としてプロットした図２のデータから、時間遅れｄを求め、これらの値α₀、α₁、α₂・・・α_n、β及びｄを旋盤のＮＣ装置１２に登録する。

試験加工において、以上の設定値を登録した状態で実際のワークの加工を行う前にＮＣ装置１２は、室温センサｓ₀の検出値を例えば５分毎に読み込んで、零時から２３時５５分までの一日分の計測値を記憶し、更に毎日この計測を繰り返すことによって、設定された複数日分、例えば７日分の室温の変化（図３）を記憶し、各時刻における室温の平均値ｔ_0:00、ｔ_0:05・・・ｔ_23:55に既に登録されている室温に対する補正係数α₀を乗じて、各時刻における室温に基づく補正量δ₀を求める。図４は求めた補正量δ₀の一日の時間を横軸とした変化の例を示したもので、図３の一日の室温変化に対応するものである。

次に時刻Ｔの関数として求められているδ₀を予め登録されている時間遅れｄだけ時間軸上でシフトして、時刻Ｔ＝０時００分、０時０５分・・・２３時５５分における補正量δ₀をそれぞれ時刻Ｔ＝０時００分＋ｄ、０時０５分＋ｄ、・・・、２３時５５分＋ｄの時刻における補正量とする（図５）。

なお、０時００分、０時０５分、・・・、２３時５５分の各時刻における室温ｔは、一日毎に新しい一日分が加えられ、最も古い一日分が捨てられて、室温の平均値が常に最も近い７日分のデータの平均値となるようにしてある。

以上の手続により、ＮＣ装置のメモリには、時間遅れを加味した時刻Ｔ＋ｄにおける室温に基づく補正量δ₀の値が設定できるので、実際に加工を行うときの補正値δを
δ＝δ₀+α₁ｔ₁＋α₂ｔ₂＋・・・α_nｔ_n＋β
で演算して、算出されたδの値に基づいてＮＣ装置から工作機械に与えられる指令値を補正する。

以上のようにして室温の経時変化に対する時間遅れを加味した補正値δを求めて加工誤差を補正することにより、一日毎の環境温度の変化に基づく補正精度の低下を防止できると共に、実際に加工を行う日時に近い室温データの変化を計測して、それに基づいて補正値を決定することにより、環境温度の季節変動及び各季節における一日の温度変化に起因する補正精度の低下を防止することができ、より高い精度でワークの加工を行うことができる。

補正のための室温及び機械温度の検出と検出データのＮＣ装置への取込みを示した概念図 従来方法における補正値δと加工されたワークを実測して求めた補正すべき値δ_tを一日の時間を横軸にして示した線図 一日の室温変化を例示した線図 図３の室温を元に一日の各時刻における補正値の演算値を示す線図 図４の補正値を図２で示した時間遅れに基づいて時間軸方向にシフトすることを示した線図 この発明の方法により、図２の従来方法で生じている時間遅れによる誤差が修正されることを示した線図

符号の説明

ｓ₁,ｓ₂・・・ 温度センサ
ｔ₁,ｔ₂・・・ 温度センサの検出温度
ｄ 時間遅れ
δ ₀ 環境温度に基づく補正量
α ₁ ,α ₂ ・・・ 機械各部の温度に基づく補正量を演算するための係数
δ 補正値

Claims (1)

1. 環境温度に基づく補正量を演算するための係数と、機械各部の温度に基づく補正量を演算するための係数とを、工作機械の制御器に登録し、
   環境温度と前記機械各部の温度から、前記環境温度に基づく補正量と機械温度に基づく補正量との和として求められる補正値を演算して、
   当該補正値でＮＣ装置の指令値を補正する工作機械の加工誤差の補正方法において、
   １日の種々の時刻における上記演算した補正値と実際に必要とする補正値とを時刻を横軸としてプロットしたときに存在する時間遅れを上記制御器に登録すると共に、
   当該制御器に、直近の複数日について計測した各時刻の環境温度の平均値を一日の環境温度の経時変化として更新しつつ登録し、
   実際のワーク加工時に計測された機械各部の温度に基づいて演算した前記補正量と、
   当該ワーク加工時の時刻から前記時間遅れだけ前の時刻の前記経時変化が示す環境温度に基づいて演算した補正量との和として得られる補正値で、
   ＮＣ装置の指令値を補正する、工作機械の加工誤差の補正方法。

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